Флотационные методы очистки производственных сточных вод являются одними из современных эффективных средств. Практикой очистки воды и других загрязненных жидкостей флотацией за долгие годы ее применения были выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы, отличающиеся друг от друга рядом признаков. Наиболее важной отличительной чертой процесса флотации является способ насыщения жидкости пузырьками воздуха определенной крупности.
Цель работы
В настоящей работе предложены теоретически обоснованные рекомендации по выбору способа насыщения воды пузырьками воздуха различной крупности, в зависимости от возникающих технологических ситуаций.
Основная часть работы
Практикой очистки воды и других загрязненных жидкостей флотацией за долгие годы ее применения были выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы, отличающиеся друг от друга рядом признаков. Наиболее важной отличительной чертой процесса флотации является способ насыщения жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу принято выделять следующие способы флотационной обработки воды:
1) флотация с механическим диспергированием воздуха;
2) пневматическая флотация;
3) электрофлотация;
4) флотация с выделением воздуха из пересыщенного раствора газа в жидкости.
При механической флотации пузырьки воздуха образуются за счет механического взаимодействия потоков воздуха и жидкости с рабочим органом флотационных машин.
В процессе безнапорной механической флотации, при небольших количествах потребного воздуха (менее 4 % от расхода перекачиваемой насосом воды) используется центробежный насос с подачей воздуха во всасывающий патрубок.
Импеллерная флотация предусматривает расположение у дна флотационной камеры турбины насосного типа (импеллера) со статором. В центре статора имеется воздушная трубка, соединенная с атмосферой. При быстром вращении импеллера в центральной части камеры создается зона пониженного давления и через отверстия в верхней части статора на импеллер поступает сточная жидкость, которая затем выбрасывается лопастями турбины через направляющие щели отбойника. Одновременно происходит засасывание воздуха из атмосферы через трубу. Потоки воздуха и жидкости взаимодействуют между собой и с поверхностью турбины, в результате чего образуются пузырьки воздуха диаметром 0,5–5 мм. На статоре, оборудованном отбойниками, происходит гашение вращательного движения выходящей с импеллера водовоздушного потока. Флотационные машины с диспергированием воздуха импеллером не позволяют получить мелкодисперсной водовоздушной смеси. Они нашли широкое распространение при обогащении полезных ископаемых и могут быть использованы при очистке сточных вод, содержащих ПАВ.
В процессе пневматической флотации пузырьки воздуха образуются путем впускания воздуха во флотационную камеру через специальные сопла, пористые или перфорированные элементы.
Пневматическая флотационная установка представляет собой резервуар, чаще всего выполненный в виде колонны высотой 3–5 м, в который сверху поступает очищаемая вода, а снизу — диспергированный на пузырьки размером 4–10 мм воздух, подаваемый от компрессора. Теоретические основы процесса образования пузырька воздуха из единичной поры были подробно рассмотрены в главе 2.3.
Эффективность пневматической флотации, как правило, не превышает эффективности механических флотационных машин ввиду близости дисперсного состава получаемой на них водовоздушной смеси.
Сущность процесса электрофлотации заключается в образовании пузырьков газа при пропускании через слой воды электрического тока. В процессе электролиза воды на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Основную роль в процессе флотации играют пузырьки водорода, выделяющегося на катоде. Размер пузырьков, отрывающихся от электродов зависит от величины плотности тока, конструкции электродной системы, наличия ПАВ в обрабатываемой воде.
Хотя электрофлотация является эффективным методом, позволяющим получить тонкодисперсную газожидкостную смесь, в последнее время она все реже используется в практике водоочистки ввиду высоких энергозатрат, необходимых для проведения электролиза воды.
Наибольшее распространение в технологиях очистки воды, содержащей мелкие дисперсные частицы, получил метод флотации с выделением воздуха из пересыщенного раствора жидкости, поскольку он не требует значительных энергозатрат и позволяет получить самые мелкие пузырьки воздуха. Флотация с выделением воздуха из раствора технологически возможна следующими путями:
1) При снижении давления над жидкостью насыщенной воздухом при атмосферном давлении до давления 30–40 КПа. Этот способ получил название вакуумной флотации.
2) Предварительного насыщения воды воздухом при избыточном давлении (300–600 КПа) с последующим его снижением до атмосферного. Этот способ получил название компрессионной флотации.
Разновидностью компрессионной флотации является способ эрлифтной флотации. В процессе эрлифтной флотации в колонне высотой 20–30 м создается нисходяще-восходящий поток жидкости. В нисходящий поток жидкости, находящийся под гидростатическим давлением через диспергирующее устройство, расположенное у дна колонны подается сжатый воздух. В процессе противоточной аэрации вода насыщается воздухом. Поднимаясь вверх в результате снижения давления, поток обогащается микропузырьками воздуха, выделяющимися из раствора.
Наиболее простыми и удобными в эксплуатации являются напорные флотационные установки с дросселированием избыточного давления.
Процесс напорной флотации с дросселированием предварительно насыщенной при избыточном давлении жидкости может быть реализован по пяти технологическим схемам (рис.1).
1. Прямоточная, с насыщением воздухом и дросселированием всего расхода очищаемой жидкости (рис.1а).
2. Прямоточная, с насыщением воздухом и дросселированием части расхода очищаемой воды с последующим смешением с основным потоком исходной воды (рис.1б).
3. Прямоточная, с насыщением воздухом части расхода очищаемой воды с последующим смешением с основным потоком исходной воды под давлением насыщения и дросселированием смеси (рис.1в).
4. Циркуляционная, с насыщением воздухом и дросселированием части расхода очищенной во флотаторе воды (рециркуляционного расхода), с последующим смешением газожидкостной смеси с основным потоком исходной воды (рис.1г).
5. Циркуляционная, с насыщением воздухом части расхода очищенной во флотаторе воды с последующим смешением с потоком исходной воды под давлением насыщения и дросселирования смеси (рис.1д).
Рис. 1. Технические схемы напорных флотационных установок с дросселированием раствора пересыщенной жидкости: 1-насос; 2-компрессор; 3-сатуратор; 4-дросселирующее устройство; 5-флотатор
Существующие математические модели можно условно подразделить на три группы:
1) экспериментально-математические модели (эмпирические), в которых количественные оценки взаимосвязей между основными элементами производятся путем аппроксимирования полученных экспериментальных данных;
2) полуэмпирические модели — предусматривают выведение критериальных комплексов с использованием методов теории подобия (Пи-теоремы) и описание с их помощью исследуемых процессов;
3) теоретические модели, детерминированные (портретные) — базируются на фундаментальных закономерностях существенных, устойчивых и неслучайных связях между свойствами материальных объектов.
Модели первого типа дают наиболее точные результаты только в узких границах значений параметров, соответствующих условиям проведения исходных экспериментов. Модели второго типа обладают большей универсальностью. Наиболее точными прогнозирующими свойствами, позволяющими исследовать особенности изучаемой системы и широким диапазоном изменений ее параметров, обладают модели третьего типа.
Теоретические математические модели принято подразделять на следующие группы:
1) модели, полученные с использованием термодинамического подхода;
2) модели, полученные с использованием кинетического подхода.
Термодинамический подход позволяет оценить вероятность перехода системы из одного состояния в другое, используя понятие изменения ее внутренней энергии. Кинетический подход в отличие от термодинамического предполагает и изучение скорости процесса перехода (количественных и качественных характеристик процесса в момент перехода системы из одного состояния в другое). Рассмотрим применение различных моделей для описания процесса флотационной очистки природных и сточных вод.
Первыми теоретическими моделями, описывающими процесс флотации, являлись модели, полученные с использованием термодинамического подхода.
Были выделены два основных направления. Первое направление (контактное) исходит из термодинамического анализа прилипания частиц к пузырькам газа на основе общих положений теории смачивания и предполагает устойчивость системы частица-пузырек только при условии образования трехфазного периметра смачивания — места соприкосновения жидкости, газа и поверхности частицы.
В элементарном акте флотации по механизму столкновения, под которым понимается взаимодействие единичной частицы с единичным пузырьком, были выделены две основные стадии процесса: сближения поверхности частицы с пузырьком и закрепления частицы на пузырьке [2, 3].
Вероятность закрепления частицы определяется вероятностями прилипания и сохранения частицы на пузырьке.
В результате действия силы тяжести либо инерционных сил может произойти отрыв частицы от поверхности пузырька. Эти силы пропорциональны кубу линейных размеров частицы (объему), т. е. достаточно велики для крупных частиц и малы для мелких.
Для сравнения можно указать, что силы отрыва при размере частиц 100 мкм в миллион раз больше, чем для частиц размером 1 мкм. По этой причине закрепление крупных частиц на пузырьке возможно лишь с помощью формирующегося в месте контакта трехфазного периметра смачивания, который может сопротивляться большим отрывным силам.
Закономерности такой контактной флотации описаны в литературе по флотационному обогащению полезных ископаемых [4].
Второе направление (бесконтактное) рассматривает процессы флотации мелких частиц, при которых силы отрыва уравновешены поверхностными силами. В этом случае не формируется трехфазный периметр, так как краевой угол смачивания может оказаться второстепенным фактором, а главное значение приобретают поверхностные силы: молекулярные силы притяжения и электростатические силы взаимодействия двойных слоев частицы и пузырька, которые чаще всего имеют один и тот же отрицательный заряд.
В связи с этим особенности и теоретические положения процесса флотации мелких частиц представляют практический интерес.
Теоретические основы флотации мелких частиц активно разрабатывались Дерягиным Б. В. и представителями его научной школы [2,3].
В основе всех термодинамических моделей лежит предположение, в соответствии с которым при прилипании частицы к пузырьку газа образуется флотоагрегат, свободная энергия которого меньше, чем у исходной системы [5, 6].
Суммарная энергия исходной системы, Дж:
, (1)
где Sж-г и Sж-ч – площадь поверхности раздела соответственно: газ-жидкость и жидкость — флотируемая частица, м2;
σ ж-г σж-ч– коэффициенты поверхностного натяжения на границе раздела фаз соответственно: газ-жидкость; жидкость-частица, 
.
При образовании единичной площади контакта частицы с пузырьком свободная энергия системы
, (2)
где σч-г – коэффициент поверхностного натяжения на границе частица-газ, .
Уменьшение свободной энергии системы составляет
. (3)
В соответствии со вторым законом Лапласа
.
Тогда для единичной площади контакта пузырька и частицы уменьшение свободной энергии системы составит
, (4)
где 
— краевой угол смачивания.
Таким образом, в результате образования агрегата «пузырек-частица» происходит уменьшение свободной энергии системы, значение которой пропорционально поверхности контакта частиц и пузырьков, поверхностному натяжению на границе газ-жидкость и краевому углу смачивания. Величину (1-cosθ) принято называть мерой флотируемости частиц.
Флотируемость зависит также и от характера частиц. Например, гидрофильные гидроокиси металлов имеют очень малый краевой угол смачивания, однако они образуют хлопья, в которые проникают пузырьки газа, в результате чего оказывается возможной их флотация с высокой эффективностью без применения специальных реагентов. В работах [7–9] приведены практические примеры реализации такого подхода.
Из формулы (4) следует, что при постоянном σж-г с повышением θ будет увеличиваться ΔW, а, следовательно, и устойчивость флотокомплекса «частица-пузырек».
В исследованиях Н. Н. Рулева [3] рассматривается капиллярная теория флотации. Приводятся исследования условия формирования трехфазного периметра смачивания с учетом его линейного натяжения. Анализ полученных данных привел Н. Н. Рулева к выводу о том, что на сферической частице трехфазный периметр может сформироваться только в том случае, если его радиус r превосходит некоторое критическое значение rс, определяемое по формуле:
, (5)
где rч – радиус частицы, м;
σ – коэффициент поверхностного натяжения границы раздела фаз жидкость-газ, ;
К – коэффициент линейного натяжения трехфазного периметра, ;
θ2 и θ – соответственно углы смачивания искривленной и плоской поверхности частицы.
Основной результат, полученный Н. Н. Рулевым, состоит в том, что отличное от нуля значение угла смачивания θ еще не гарантирует возможность прилипания, как это можно было бы заключить на основе формулы (4), т. е. учет кривизны частицы и линейного натяжения трехфазного периметра приводит к качественно иным выводам.
Более глубокий анализ результатов, полученных с использованием термодинамического подхода, показывает серьезные их расхождения с экспериментальными данными. Хотя устойчивость флотационного процесса и свидетельствует о конечном понижении свободной энергии системы «частица-пузырек» при переходе в связанное состояние, что в общем оправдывает использование термодинамического анализа путем сопоставления величин конечной и начальной свободных энергий, тем не менее с точки зрения кинетики процесса можно прийти к выводу, что в большинстве случаев самопроизвольному акту слипания должно предшествовать преодоление энергетического барьера под действием внешних сил. Изучая только направление и результат процесса, термодинамика не рассматривает такие важные вопросы, как механизм и скорость протекания процесса. Таким образом, только сочетание термодинамического и кинетических методов может дать достаточно полную информацию о флотационном процессе.
Тот факт, что термодинамический метод первоначально доминировал в теории флотации, объясняется, прежде всего, разрывом, который существовал между теорией и практикой. Простота и универсальность этого метода, позволяющие легко решать такой важный вопрос, как возможность существования устойчивой системы «частица-пузырек», сделали его незаменимым в описании флотационных процессов, используемых в обогатительной промышленности, которые требуют избирательного извлечения сравнительно крупных частиц (более 10 мкм).
Для крупных частиц стадия сближения с пузырьком воздуха облегчена их инерционностью, и кинетика этого процесса может остаться не рассмотренной.
Выводы
Проведенный теоретический анализ термодинамических моделей флотационных процессов извлечения примесей показал следующее:
- термодинамические модели могут эффективно описывать флотационные процессы извлечения инерционных дисперсных частиц, d>10 мкн и успешно используются при описании и изучении процессов обогащения в горнорудной промышленности;
- для описания процессов флотационного извлечения при очистки безынерционных, дисперсных частиц, необходимо использовать кинетические модели.
Литература:
1. Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры // — М.: ФИЗМАТЛИТ.- 2002. –С. 320.
2. Дерягин Б. В. Теоретические основы и контроль процессов флотации [Текст] / Б. В. Дерягин, С. С. Духин, Н. Н. Рулев. — М.:Недра. -1980.
3. Рулев Н. Н. Кинетика флотации мелких частиц коллективом пузырьков [Текст] / Н. Н. Рулев, Б. В. Дерягин, С. С. Духин // Коллоидный журнал. — 1977. –т.39. — № 1.
4. Чантурия В. А. Химия поверхностных явлений при флотации [Текст] / В. А. Чантурия, Р. Ш. Шафеев. — М.:Недра. -1977.
5. Дерягин Б. В. Микрофлотация [Текст]/ С. С. Духин, Н. Н. Рулев.– М.:Химия. -1986.
6. Рулев Н. Н. Теория флотации мелких частиц и флотационной водоочистки [Текст] / Н. Н. Рулев //Дис. канд. хим. наук. — Киев. — 1977.
7. Андреев С. Ю., Гришин Б. М. Новая технология безреагентной флотационной очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты // Региональная архитектура и строительство -Пенза: — 2011. -№ 1, -С. 36–42.
8. Гришин Б. М., Андреев С. Ю., Камбург В. Г. Теоретические и экспериментальные исследования флотационной очистки нефтесодержащих производственных сточных вод с применением вихревых смесительных устройств // Региональная архитектура и строительство -Пенза: -2012.- № 1.-С. 11–16.
9. Андреев С. Ю., Камбург В. Г., Петрунин А. А., Князев В. В., Давыдов Г. П. Математическое моделирование кинетики процессов массопередачи из всплывающих газовых пузырьков в технологиях очистки сточных вод // Региональная архитектура и строительство -Пенза: -2013.- № 3.-С. 134–139.
